Revolucionando a tecnologia energética
Tecnologia de supercondensador escalável feita de grafeno
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Os supercondensadores, ou abreviadamente supercaps, são dispositivos rápidos e potentes de armazenamento de energia. Complementam as baterias de (des)carregamento relativamente lento em numerosas aplicações que vão dos automóveis eléctricos às máquinas industriais e turbinas eólicas. Uma equipa de investigadores da Empa quer desenvolver melhores supercapacitores à base de grafeno - e torná-los aptos para produção comercial em grande escala.
Os supercapacitores são os irmãos mais novos e ágeis das baterias. Ambas as tecnologias armazenam energia eléctrica. As pilhas têm uma elevada densidade de energia mas uma baixa densidade de potência. Por outras palavras, podem armazenar muita energia, mas a carga e a descarga são bastante lentas. Os supercapacitores são exatamente o oposto: Absorvem e libertam energia à velocidade da luz, mas só conseguem armazenar uma pequena quantidade.
"As pilhas são como um grande contentor com um gargalo estreito que só se pode encher lentamente. Os supercapacitores são mais parecidos com pequenas chávenas com uma abertura larga. Enchem-se rapidamente, mas têm pouco volume", explica Sina Azad, investigadora da Empa. As duas tecnologias são frequentemente utilizadas em conjunto: Num automóvel elétrico, os supercondensadores captam rapidamente a energia da travagem e passam-na depois para as baterias mais lentas para armazenamento. As supercápsulas também podem ser encontradas em parques solares e turbinas eólicas, bem como em máquinas industriais que por vezes necessitam de muita eletricidade rapidamente.
Azad, investigador de pós-doutoramento no laboratório de Polímeros Funcionais da Empa, e a sua equipa estabeleceram o objetivo de melhorar estes dispositivos de armazenamento rápidos e omnipresentes através do desenvolvimento de um novo tipo de elétrodo baseado em grafeno. Esta forma bidimensional de carbono deverá permitir que as supercápsulas atinjam densidades de energia significativamente mais elevadas.
"As densidades de energia recorde dos supercapacitores foram descritas várias vezes na literatura científica", reconhece Azad. O objetivo do seu projeto de investigação não é bater recordes, mas sim a escalabilidade. Desde o início, os investigadores estão a concentrar-se em materiais e processos que possam ser implementados não só em laboratório, mas também à escala industrial. Por esta razão, o seu projeto é apoiado pelo Bridge, um programa de financiamento conjunto da Fundação Nacional Suíça para a Ciência (SNSF) e da Innosuisse.
A superfície é importante
Semelhante a uma bateria, um supercapacitor consiste em dois eléctrodos rodeados por um eletrólito líquido. Durante a carga e a descarga, o eletrólito transporta os iões - os portadores de carga - de um elétrodo para o outro. No entanto, ao contrário de uma bateria, não ocorre qualquer reação química. "Os supercapacitores armazenam energia electrostaticamente, depositando o maior número possível de partículas carregadas na superfície do elétrodo", afirma Jakob Heier, chefe do grupo de investigação Functional Thin Film Solution Processing do Laboratório de Polímeros Funcionais, ao qual pertence Sina Azad.
Assim, quanto maior for a área de superfície do elétrodo, mais iões se podem fixar nele - e maior será a densidade energética do supercapacitor. "Atualmente, o carvão ativado altamente poroso é normalmente utilizado como material de eleição para os eléctrodos", afirma Vahid Charkesht, investigador da Empa. No entanto, ao contrário do grafeno, o carvão ativado tem uma condutividade eléctrica muito baixa, o que prejudica a capacidade de armazenamento do elétrodo.
Outra desvantagem surge durante o processamento do material. Na indústria, os eléctrodos são impressos em películas flexíveis num processo de rolo a rolo, sendo depois cortados e enrolados em supercápsulas acabadas. Para poder imprimir o carvão ativado em pó num material de suporte, este é misturado com agentes aglutinantes e outros aditivos que prejudicam a sua porosidade.
Da tinta ao produto
A impressão de grafeno também não é um dado adquirido. O grafeno puro para aplicações industriais é normalmente obtido a partir da grafite. Os métodos de produção convencionais têm um rendimento muito baixo de grafeno puro, que tem de ser separado dos resíduos com grandes custos. No entanto, graças a um projeto de investigação anterior, os investigadores da Empa têm um trunfo na manga: desenvolveram um processo através do qual o grafeno de alta qualidade pode ser "esfoliado" da grafite, de forma económica e eficiente, e transformado numa tinta imprimível em forma de gel.
Esta tinta de grafeno oferece uma vantagem decisiva na produção de eléctrodos de supercapacitores. Ao misturar inteligentemente dois tipos diferentes de grafeno, os investigadores podem influenciar seletivamente a dimensão dos poros entre as camadas de grafeno. "Se a dimensão dos poros do elétrodo corresponder à dimensão dos iões no eletrólito, a densidade energética do supercapacitor aumenta drasticamente", explica Azad. Com o carvão ativado, é impossível controlar a dimensão dos poros.
Com a sua elevada condutividade, tamanho preciso dos poros, grande área de superfície e escalabilidade, os novos eléctrodos poderão tornar-se um produto de alta tecnologia. "No final do projeto, queremos colocar a nossa tecnologia no mercado, quer com parceiros industriais, quer com a nossa própria spin-off", afirma Jakob Heier.
No entanto, ainda há muito a fazer - o projeto decorre até 2028. Os investigadores pretendem não só desenvolver a tecnologia de eléctrodos, mas também fabricar eléctrodos e instalá-los em protótipos funcionais. O objetivo é definir as etapas corretas do processo, encontrar um eletrólito adequado e, em seguida, caraterizar com precisão as supercápsulas acabadas. "Queremos desenvolver um produto real e fiável", resume Azad.
Observação: Este artigo foi traduzido usando um sistema de computador sem intervenção humana. A LUMITOS oferece essas traduções automáticas para apresentar uma gama mais ampla de notícias atuais. Como este artigo foi traduzido com tradução automática, é possível que contenha erros de vocabulário, sintaxe ou gramática. O artigo original em Inglês pode ser encontrado aqui.
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